陳天夫，谷立臣，賈永峰，田晴晴

（1.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710055；2.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，西安710018）

基于LabVIEW技術(shù)的動(dòng)態(tài)流量軟測(cè)量模型研究*

陳天夫1，谷立臣1，賈永峰2，田晴晴1

（1.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710055；2.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，西安710018）

文章以伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵輸出流量為研究對(duì)象，分析了實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、油液粘度等變化對(duì)動(dòng)態(tài)流量的影響，建立基于LabVIEW技術(shù)的動(dòng)態(tài)流量軟測(cè)量模型，并進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)及流量閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)分析，研究表明該模型有較高的穩(wěn)態(tài)測(cè)量精度和優(yōu)異的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及閉環(huán)控制特性，為動(dòng)態(tài)流量測(cè)量提供了一條新途徑。

伺服電機(jī)；動(dòng)態(tài)流量；虛擬儀器；光電碼盤

0 引言

隨著現(xiàn)代液壓控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于系統(tǒng)和元件的動(dòng)態(tài)特性的要求越來(lái)越高，因此對(duì)動(dòng)態(tài)流量測(cè)試技術(shù)的要求也越來(lái)越高［1］。但是由于受到工況、油液性質(zhì)、流體流態(tài)的復(fù)雜性以及流量計(jì)自身運(yùn)動(dòng)部件慣性的制約，一直很難實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)流量的精準(zhǔn)測(cè)量。

虛擬儀器的興起使得計(jì)算機(jī)在測(cè)試中的作用得以充分利用，即“軟件就是儀器”已成為一種新的測(cè)試?yán)砟?。這種測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成更簡(jiǎn)單有效，數(shù)據(jù)處理更加方便快捷，可以通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算大量數(shù)據(jù)，解復(fù)雜算式進(jìn)而獲得待測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)了由一種或幾種比較容易測(cè)得的輔助變量來(lái)估算不易直接測(cè)量的主要變量［2］。因此在動(dòng)態(tài)流量的測(cè)試中引入軟測(cè)量技術(shù)，通過(guò)采集和實(shí)時(shí)處理電機(jī)轉(zhuǎn)速、油液的壓力、溫度等易得信號(hào)，就能間接得到動(dòng)態(tài)流量信號(hào)。由于這種虛擬動(dòng)態(tài)流量計(jì)不含運(yùn)動(dòng)元件，運(yùn)算速度快，因此可以獲得較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)測(cè)量精確度［3］。

1 動(dòng)態(tài)流量數(shù)學(xué)模型的建立

在壓力一定情況下，實(shí)測(cè)不同轉(zhuǎn)速下齒輪泵輸出流量。發(fā)現(xiàn)不同壓力下齒輪泵轉(zhuǎn)速和輸出流量都近似成線性關(guān)系（如圖1）［4］。因此，可以通過(guò)泵的轉(zhuǎn)速、泵自身的參數(shù)、油液壓力、油液參數(shù)等間接估算出泵輸出動(dòng)態(tài)流量。

定量泵流量連續(xù)性方程模型為：

式中：

Qγ：泵的輸出流量，m3/s；

Dp：泵的排量，m3/rad；

ω：泵的轉(zhuǎn)速，r/min；

C′P：泵的總動(dòng)態(tài)泄漏系數(shù)，m3/s·Pa；

P：齒輪泵進(jìn)出口壓力差，Pa；

βe：油液彈性模量，N/m2；

從式（1）中齒輪泵輸出流量不僅和電機(jī)轉(zhuǎn)速ω、齒輪泵進(jìn)出口壓力差P有關(guān)，還和泵的動(dòng)態(tài)泄漏系數(shù)C′p及油液彈性模量βe有關(guān)。其中泵的動(dòng)態(tài)泄漏系數(shù)C′p受油液粘度影響較大，而粘度又和壓力、溫度有關(guān)。同時(shí)油液彈性模量βe也受壓力、溫度、含氣量等影響，因此為確保測(cè)量精度需對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)修正。

圖1 實(shí)測(cè)定量泵轉(zhuǎn)速流量特征曲線

2 在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的模型修正

2.1 粘溫粘壓修正

油液溫度和壓力的變化會(huì)影響油液粘度［5］，使泵的泄露系數(shù)發(fā)生改變，所以必須對(duì)泵的泄漏系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

關(guān)于粘溫的公式有Reynolds粘溫公式、Andrade-Erying粘溫公式、Vogel粘溫公式［6］，這些公式都有其適用范圍，本實(shí)驗(yàn)Vogel公式則較為準(zhǔn)確方便。因此，實(shí)驗(yàn)采用vogel粘溫方程：

η0：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下一定溫度下的油液動(dòng)力粘度；

t0：油液溫度；

A、B、C：與油液相關(guān)的參數(shù)。

試驗(yàn)中采用30℃時(shí)油液動(dòng)力粘度作為參考值，查表得油液動(dòng)力粘度為。則任意溫度t時(shí)油液動(dòng)力粘度表示為：

μ：粘溫系數(shù)

關(guān)于粘壓的公式本文采用Barus動(dòng)力黏度與壓力的關(guān)系式［8］：

η：油液動(dòng)力粘度；

λ：粘壓系數(shù)；

同時(shí)考慮溫度、壓力時(shí)的粘溫粘壓關(guān)系式：

2.2 油液壓縮損失修正

油液彈性模量的變化會(huì)造成油液壓縮損失變化，油液彈性模量與油液壓力、溫度、含氣量、油液的種類等有關(guān)［9］。工程計(jì)算時(shí)油液彈性模量一般?。?.0～1.6）×103MPa［10］，而實(shí)驗(yàn)中設(shè)定系統(tǒng)最大壓力約為12MPa，因此壓縮損失僅為理論流量的1%～1.2%，而因油液溫度、含氣量等造成的油液壓縮損失則更小，本文則忽略不計(jì)［11］。

2.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工況修正

實(shí)際中齒輪泵輸出的流量還和工況有關(guān)，由于實(shí)際工況比較復(fù)雜且很難定量的估計(jì)對(duì)輸出流量的影響?？紤]工況對(duì)流量的影響為非線性，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊控制因子k動(dòng)態(tài)調(diào)整泄露系數(shù)，此因子由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)馴化的方法確定［12］。試驗(yàn)中積累了大量的不同時(shí)間戳的轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、流量信號(hào)等數(shù)據(jù)，其中包含沖擊、打滑及正余弦加載工況等。選擇其中1000組作為學(xué)習(xí)樣本，采用運(yùn)算較快的BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行離線訓(xùn)練，最終得出最優(yōu)的動(dòng)態(tài)泄露修正系數(shù)k用于流量軟測(cè)量的在線修正。

綜合以上因素，最終建立一個(gè)總的動(dòng)態(tài)泄露系數(shù)公式：

將式（6）代入式（1）整理得：

式（7）建立了以泵出入口壓力差P、電機(jī)轉(zhuǎn)速ω、油液溫度t等相關(guān)參數(shù)為輸入，泵的輸出流量Qγ為輸出的動(dòng)態(tài)流量軟測(cè)量模型。

3 動(dòng)態(tài)流量軟測(cè)量模型仿真分析

根據(jù)式（7）建立的流量軟測(cè)量的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB7.11.0環(huán)境下，利用SIMULINK仿真工具構(gòu)建了定量泵輸出流量仿真模型如圖2所示，仿真結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖2 動(dòng)態(tài)流量軟測(cè)量仿真模型

圖3 轉(zhuǎn)速流量特征曲線（4.5MPa 30℃）

圖4 壓力流量關(guān)系曲線（4.5MPa～9MPa 1000r/m in 30℃）

圖5 溫度流量關(guān)系曲線（30℃～50℃1000r/m in 4.5MPa）

圖6 壓力溫度流量關(guān)系曲線（1000r/m in 4.5～9MPa 30℃～50℃）

圖3為壓力為4.5MPa、溫度為30℃時(shí)不同轉(zhuǎn)速下流量關(guān)系曲線，當(dāng)壓力、溫度一定時(shí)齒輪泵流量與轉(zhuǎn)速近似成線性關(guān)系。圖4為轉(zhuǎn)速1000 r/min溫度為30℃壓力在0.1s時(shí)從4.5MPa階躍到9MPa時(shí)的流量關(guān)系曲線，由于壓力增大導(dǎo)致泄漏量增大，流量從0.619m3/h下降到0.593m3/h，泄漏量為0.026m3/h。圖5為轉(zhuǎn)速1000 r/min壓力4.5MPa溫度在0.1s時(shí)從30℃階躍到50℃時(shí)流量關(guān)系曲線，由于油液溫度升高粘度減小導(dǎo)致泄漏量增大，流量從0.619m3/h下降到0.568m3/h，泄漏量為0.051m3/h。圖6為轉(zhuǎn)速1000 r/min，壓力、溫度在0.1s時(shí)從4.5MPa、30℃同時(shí)階躍到9MPa、50℃時(shí)流量關(guān)系曲線，油液壓力、溫度同時(shí)增大導(dǎo)致泄漏量激增，流量從0.619m3/h下降到0.508m3/h，泄漏量為0.111 m3/h，占輸出流量的17.9%。由此如果不進(jìn)行模型修正會(huì)產(chǎn)生較大測(cè)量誤差。

4 流量軟測(cè)量模型的實(shí)驗(yàn)分析

4.1 液壓系統(tǒng)測(cè)控原理

本實(shí)驗(yàn)研究的液壓動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)控原理如圖7所示。實(shí)驗(yàn)中電機(jī)為永磁同步電機(jī)，定量泵為齒輪泵。該液壓動(dòng)力源結(jié)合了永磁同步電機(jī)節(jié)能且調(diào)速性能好與齒輪油泵可靠性好但不能調(diào)速的技術(shù)特點(diǎn)，在調(diào)速精度和響應(yīng)速度方面具有較大優(yōu)勢(shì)［13］。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

液壓動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)變頻調(diào)速的方式來(lái)改變泵的輸入轉(zhuǎn)速，采用電磁比例溢流閥來(lái)模擬負(fù)載壓力。測(cè)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電壓和電流、油液壓力、流量、溫度的監(jiān)測(cè)以及對(duì)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速、比例溢流閥模擬加載的控制。

4.2 試驗(yàn)中信號(hào)的獲取

（1）壓力信號(hào)

實(shí)際系統(tǒng)中采用油箱上置，考慮液阻時(shí)經(jīng)估算齒輪泵入口處壓力約6.6×10-3MPa，由于系統(tǒng)工作時(shí)最小背壓壓力一般在2MPa左右，所以入口處壓力可以忽略不計(jì)，以齒輪泵出口壓力Pv代替齒輪泵進(jìn)出口壓力差P，齒輪泵出口壓力由壓力傳感器測(cè)得，并由采集板卡采集，送至工控機(jī)和LabVIEW程序計(jì)算處理。

（2）溫度信號(hào)

實(shí)驗(yàn)中溫度由溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并由采集板卡采集，送至工控機(jī)和LabVIEW程序計(jì)算處理。

（3）流量信號(hào)

為了與軟測(cè)量流量進(jìn)行比較，試驗(yàn)臺(tái)上安裝有LWZ型智能渦輪流量傳感器。實(shí)驗(yàn)中流量傳感器實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)由采集板卡采集，并送至工控機(jī)和Lab-VIEW程序計(jì)算處理。

（4）轉(zhuǎn)速信號(hào)

方式一：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中所用電機(jī)為伺服控制器驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)。伺服控制器在外部轉(zhuǎn)速控制模式下，電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速與伺服控制器模擬轉(zhuǎn)速控制電壓成線性關(guān)系［14］。即不考慮實(shí)際轉(zhuǎn)速滯后的情況下，可以用電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速代替實(shí)際轉(zhuǎn)速。而控制電壓指令則由工控機(jī)發(fā)出。由于實(shí)際系統(tǒng)中伺服控制器、電機(jī)、齒輪泵都存在慣性，因此實(shí)際轉(zhuǎn)速響應(yīng)存在一定的延遲，如果采用電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速估算流量會(huì)有一定的超前。該方法優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算的流量穩(wěn)態(tài)值波動(dòng)小。

方式二：實(shí)驗(yàn)中所用永磁伺服電機(jī)自帶有2500線的增量式光電編碼器，可以采用光電編碼器測(cè)速。光電編碼器響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定，實(shí)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速最能反映電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，因此用它估算流量也最能反映流量的實(shí)時(shí)變化。

增量式光電編碼器原理：編碼器與電機(jī)同軸安裝，電機(jī)每轉(zhuǎn)一周編碼器都會(huì)發(fā)出一定數(shù)目的脈沖信號(hào)，記錄電機(jī)轉(zhuǎn)角位置。本次實(shí)驗(yàn)采用M法測(cè)速即在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)記錄產(chǎn)生的脈沖數(shù)，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。如在規(guī)定的時(shí)間間隔t內(nèi)測(cè)得脈沖數(shù)為m，電機(jī)每轉(zhuǎn)一周編碼器發(fā)出2500個(gè)脈沖信號(hào)，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為：

試驗(yàn)中的光電編碼器輸出端有一組±5v脈沖信號(hào)用于測(cè)速。試驗(yàn)中PCI-1711型號(hào)采集卡帶有一個(gè)82C54定時(shí)器/計(jì)數(shù)器芯片，它有三個(gè)16位10MHz時(shí)鐘源的計(jì)數(shù)器。Counter0作為事件計(jì)數(shù)器，可用于對(duì)輸入通道的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。另外兩個(gè)counter1、counter2級(jí)聯(lián)在一起，用作脈沖觸發(fā)的32位定時(shí)器。同時(shí)利用LabVIEW程序?qū)崟r(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)速，因?yàn)闀r(shí)間間隔很小可以把它近似看成電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。

4.3 流量軟測(cè)量模型動(dòng)靜態(tài)分析

（1）流量軟測(cè)量模型靜態(tài)分析

實(shí)驗(yàn)分析當(dāng)系統(tǒng)壓力為5MPa，溫度為30℃和系統(tǒng)壓力為7MPa，溫度為38℃時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的軟測(cè)量流量和流量傳感器實(shí)測(cè)流量關(guān)系如圖8、圖9所示。

圖8 靜態(tài)流量測(cè)量（5MPa，30℃）

圖9 靜態(tài)流量測(cè)量（7MPa，38℃）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在不同的轉(zhuǎn)速、壓力和溫度條件下軟測(cè)量模型都有很好的穩(wěn)態(tài)測(cè)量精度，測(cè)量的相對(duì)誤差均控制在2%以內(nèi)。此外，軟測(cè)量模型測(cè)量范圍與傳統(tǒng)流量計(jì)相比，可以不受儀器量程限制，能有效地拓寬流量測(cè)量范圍。

（2）流量軟測(cè)量模型動(dòng)態(tài)分析

系統(tǒng)壓力一定，電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速階躍變化時(shí)分別觀察實(shí)測(cè)流量和軟測(cè)量流量。如圖10為系統(tǒng)壓力為5MPa，油液溫度32℃時(shí)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速由1000 r/min～1500 r/min時(shí)的結(jié)果。

圖10 流量測(cè)量動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

從圖中上升沿可以看出軟測(cè)量流量開(kāi)始反應(yīng)時(shí)間和達(dá)到穩(wěn)定所用時(shí)間均明顯快于流量計(jì)實(shí)測(cè)流量（其中開(kāi)始反映時(shí)間比流量計(jì)實(shí)測(cè)流量快約1.5s，達(dá)到穩(wěn)定所用時(shí)間比流量計(jì)實(shí)測(cè)流量快2s）。電機(jī)轉(zhuǎn)速變化最能反應(yīng)系統(tǒng)流量變化，而實(shí)測(cè)流量則滯后電機(jī)轉(zhuǎn)速變化約2s，說(shuō)明流量計(jì)測(cè)量時(shí)自身存在2s的滯后。因此，使用軟測(cè)量模型計(jì)算流量可以克服流量測(cè)量時(shí)滯后時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題。

為了驗(yàn)證軟測(cè)量流量的閉環(huán)控制特性，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用流量閉環(huán)控制。實(shí)驗(yàn)一采用流量計(jì)實(shí)測(cè)流量作為反饋與目標(biāo)流量進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)二采用軟測(cè)量模型計(jì)算流量作為反饋與目標(biāo)流量進(jìn)行比較。兩次實(shí)驗(yàn)負(fù)載壓力均為5MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 實(shí)測(cè)流量閉環(huán)響應(yīng)曲線

圖12 軟測(cè)量流量閉環(huán)響應(yīng)曲線

從圖11、圖12可以看出目標(biāo)流量階躍上升時(shí)，實(shí)驗(yàn)二軟測(cè)量流量作為反饋時(shí)無(wú)論是電機(jī)轉(zhuǎn)速、流量計(jì)實(shí)測(cè)流量、軟測(cè)量流量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間均比實(shí)驗(yàn)一流量計(jì)實(shí)測(cè)流量反饋控制時(shí)快。以電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間為例，實(shí)驗(yàn)二的電機(jī)轉(zhuǎn)速滯后目標(biāo)流量?jī)H7.5s，而實(shí)驗(yàn)一的電機(jī)轉(zhuǎn)速滯后目標(biāo)流量11s。因此，使用軟測(cè)量流量作為反饋閉環(huán)控制能明顯提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

5 總結(jié)

本文根據(jù)定量泵輸出動(dòng)態(tài)流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速、油液壓力、溫度等關(guān)系，建立了以電機(jī)轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓力、油液溫度為輸入，流量為輸出的軟測(cè)量模型。該方法克服了傳統(tǒng)容積式流量計(jì)測(cè)量時(shí)受自身慣性的影響，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，很好的解決了傳統(tǒng)流量測(cè)量時(shí)流量滯后壓力時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，且不需要專用流量測(cè)量設(shè)備，受測(cè)量范圍和安裝條件限制小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該流量軟測(cè)量模型可以用于動(dòng)態(tài)流量的測(cè)量，且有較高的測(cè)量和控制精度。

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［14］HSV-16系列全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)單元使用說(shuō)明書(shū)［Z］.武漢：華中數(shù)控股份有限公司，2006.

（編輯 李秀敏）

Soft M easurement M odel of Dynam ical Flow Base on LABVIEW Technology

CHEN Tian-fu1，GU Li-chen1，JIA Yong-feng2，TIAN Qing-qing1
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Xi′an University of Architecture&Technology，Xi′an 710055，China；2.SchoolofMechanical&Electrical Engineering，ShaanxiCollege of Communication Technology，Xi′an 710018，China）

The research object is servo motor drive quantitative pump output flow，to analysis the effect of the real-time speed，pressure，temperature，oil viscosity etc changes on the influence of dynamic traffic，dynamic flow softmeasurementmodel is established based on LabVIEW technology and analysis for static，dynamic and flow closed loop controlexperimental.Research shows that themodelhasa highermeasuring precision and excellent dynamic response and closed-loop control features，for the dynamic flow measurement provides a new way.

servo motor；dynam ic flow；virtual instrument；photoelectric encoder

TH166；TG659

A

1001-2265（2015）07-0095-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.07.026

2014-11-06；

2014-12-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：基于電功率圖形分析的機(jī)電液系統(tǒng)藕合特性及故障演化機(jī)理研究（51275375）

陳天夫（1988-），男，河南南陽(yáng)人，西安建筑科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化技術(shù)及自動(dòng)化，（E-mail）tianfudream@ 126.com。